人機(jī)工程中虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)通用要求標(biāo)準(zhǔn)研究

李 鵬 李媛姍

（中航工業(yè)綜合技術(shù)研究所，北京 100028）

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是在眾多相關(guān)技術(shù)如計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感器技術(shù)、人工智能的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)獲得了廣泛的應(yīng)用，而且日益普及。然而，如何在人機(jī)工程學(xué)研究和應(yīng)用中更好地利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，模擬人機(jī)系統(tǒng)的交互過程，以便對機(jī)器系統(tǒng)進(jìn)行更為可信的分析、設(shè)計(jì)與評估，還需要開展相應(yīng)的技術(shù)應(yīng)用研究，制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范來指導(dǎo)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在人機(jī)工程中應(yīng)用工作的開展。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與人機(jī)工程的結(jié)合與應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種綜合應(yīng)用各種技術(shù)制造逼真的人工模擬環(huán)境，并能有效地模擬人在自然環(huán)境中視、聽、觸覺等各種感知行為的高級人機(jī)交互技術(shù)。人機(jī)工程學(xué)是研究系統(tǒng)中人與其他組成部分的交互關(guān)系的一門學(xué)科，并運(yùn)用其理論、原理、數(shù)據(jù)和方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，以優(yōu)化系統(tǒng)的工效和人的健康幸福之間的關(guān)系。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在人機(jī)工程中的應(yīng)用，是為了解決某些產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行等過程中的人機(jī)工程問題，構(gòu)建虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，建立虛擬的場景，利用輸入輸出接口進(jìn)行人機(jī)交互，從而在虛擬的環(huán)境中模擬產(chǎn)品的某些過程，解決人機(jī)功能評價(jià)、性能驗(yàn)證等問題。一般來說，人機(jī)工程中虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)包括人的虛擬化（即虛擬人）、虛擬環(huán)境的構(gòu)建、輸入輸出設(shè)備、虛擬現(xiàn)實(shí)的繪制等4個(gè)方面。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和人機(jī)工程的結(jié)合應(yīng)用，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

設(shè)計(jì)階段：應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對人機(jī)工程設(shè)計(jì)中的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和環(huán)境設(shè)計(jì)等進(jìn)行仿真和評估。主要體現(xiàn)在工作空間測試與評估、布局設(shè)計(jì)的要求、人機(jī)界面設(shè)計(jì)、環(huán)境工效評估等方面。

制造階段：應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對產(chǎn)品零件的加工和裝配過程進(jìn)行模擬和分析，對加工工藝和裝配過程的人機(jī)工程問題進(jìn)行評估和改進(jìn)。如通過加工過程的模擬，對工裝的人機(jī)因素進(jìn)行評估等。

使用、維修、報(bào)廢等階段：利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對產(chǎn)品的運(yùn)行、使用、維修、報(bào)廢等各生命周期階段的狀況進(jìn)行模擬，提高產(chǎn)品整個(gè)生命周期的人機(jī)性能。主要體現(xiàn)在運(yùn)動(dòng)學(xué)/動(dòng)力學(xué)分析、碰撞分析、虛擬培訓(xùn)、虛擬維修等方面。

2 人機(jī)工程及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢

2.1 人機(jī)工程的標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢

國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）中的人類工效學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會TC159在其專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)開展了卓有成效的工作，制定了大量的國際標(biāo)準(zhǔn)，截至目前共78項(xiàng)。近年標(biāo)準(zhǔn)制定的重點(diǎn)主要集中在SC4中的WG5（軟件工效學(xué)與人機(jī)對話）和WG6（交互系統(tǒng)中以人為中心的設(shè)計(jì)過程）。歐盟標(biāo)準(zhǔn)化委員會（CEN）成立了人類工效學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會（TC122），并根據(jù)技術(shù)發(fā)展的趨勢不斷調(diào)整其工作組（WG）。近年來更多的精力放在了WG5人機(jī)交互的標(biāo)準(zhǔn)制修訂上。美國國防部的人機(jī)工程技術(shù)咨詢組（DoD HFE TAG）將維持與提高人員績效、更新人員績效數(shù)據(jù)庫及分析工具、系統(tǒng)模型中融入人員績效、將人機(jī)工程納入國防部政策及標(biāo)準(zhǔn)中等作為其4大亟待突破的領(lǐng)域。全國人類工效學(xué)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會（TC7）主要從事人類工效學(xué)領(lǐng)域的術(shù)語、方法學(xué)以及人因素?cái)?shù)據(jù)等標(biāo)準(zhǔn)化工作，與ISO/TC159 相對應(yīng)開展相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化研究工作，協(xié)調(diào)與ISO其他技術(shù)委員會的工作，目前共制定國家標(biāo)準(zhǔn)50項(xiàng)，而大多是直接等同采用的ISO標(biāo)準(zhǔn)。軍用標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會“人–機(jī)–環(huán)境系統(tǒng)工程標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會”，大量引進(jìn)和轉(zhuǎn)化了先進(jìn)、科學(xué)的國際標(biāo)準(zhǔn)和國外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)發(fā)展需要，制定了一批符合我國實(shí)際需求的標(biāo)準(zhǔn)，對國防科技工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化和整個(gè)國防建設(shè)的發(fā)展起到了積極的推動(dòng)作用。

隨著人機(jī)工程理論技術(shù)與應(yīng)用的不斷深入發(fā)展，標(biāo)準(zhǔn)化工作將取得更大的成果。人機(jī)工程標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)為逐步建立科學(xué)合理、健全完善的標(biāo)準(zhǔn)體系，圍繞著新技術(shù)對人機(jī)工程的舊有條款進(jìn)行更新、整合，針對新的應(yīng)用技術(shù)和領(lǐng)域制定新的標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢

目前國際標(biāo)準(zhǔn)化組織還沒有成立對虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究和制定的專門機(jī)構(gòu)。主要的標(biāo)準(zhǔn)局限于國際虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)協(xié)會制定的建模語言VRML等方面，另外可以借鑒和參考的就是關(guān)于多媒體技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等方面的標(biāo)準(zhǔn)。虛擬現(xiàn)實(shí)的一些方面如觸覺、感知等技術(shù)還不具備制定通用標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)和條件。國內(nèi)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用才剛開始，目前還沒有開展相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化工作。

2.3 國防科技工業(yè)企業(yè)在虛擬現(xiàn)實(shí)和人機(jī)工程方面的標(biāo)準(zhǔn)化需求

2007年8月21日～9月30日，中航工業(yè)綜合技術(shù)研究所面向國防科技工業(yè)企業(yè)采用問卷調(diào)查的方式開展了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在人機(jī)工程中的應(yīng)用情況調(diào)研工作。從調(diào)研結(jié)果來看，在國防科技工業(yè)企業(yè)范圍內(nèi)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在人機(jī)工程中的應(yīng)用基本上都處于起步階段，大部分企業(yè)主要利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，繪制數(shù)字模型，對產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、裝配、工作過程進(jìn)行模擬和演示，也有一些單位開始利用虛擬人模型，對人的可達(dá)域、可視域等進(jìn)行評估。另外有一些單位，如航天科工集團(tuán)第三總體設(shè)計(jì)部、船舶708所，成都飛機(jī)工業(yè)公司等，使用數(shù)據(jù)手套、跟蹤器、三維鼠標(biāo)等設(shè)備對人的動(dòng)作進(jìn)行模擬，用來評估產(chǎn)品的人機(jī)性能。

調(diào)查結(jié)果顯示，接受調(diào)查的大部分單位都希望對在人機(jī)工程中虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行規(guī)范，許多單位提出了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化建議，如虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的模型建立和轉(zhuǎn)化技術(shù)、虛擬人的仿真效果、繪制系統(tǒng)的接口和文件存儲方式、輸入輸出設(shè)備的選擇和評價(jià)等。

3 人機(jī)工程中虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一般要求

虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)選擇合理的設(shè)計(jì)順序和方案，多通道虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)步驟包括任務(wù)分析、確定系統(tǒng)類型和參數(shù)、選擇硬件配置、搭建硬件平臺、硬件調(diào)試、軟（硬）件幾何校正、區(qū)域融合（亮度、色度校正）、其他設(shè)備調(diào)試、工程應(yīng)用等9個(gè)環(huán)節(jié)。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)應(yīng)該注意規(guī)范使用、安全使用、日常維護(hù)等問題。虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的設(shè)備的檢查和維修應(yīng)有專業(yè)人員進(jìn)行，并且維修過程中應(yīng)遵守GB/T 9414《設(shè)備維修性導(dǎo)則》等標(biāo)準(zhǔn)。

4 人機(jī)工程中虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的詳細(xì)要求

4.1 虛擬人的建模要求

通用的虛擬人數(shù)據(jù)應(yīng)采用GB/T 13547—1992《工作空間人體尺寸》中的數(shù)據(jù)；特定的虛擬人數(shù)據(jù)的測量應(yīng)按照GB 3975–1983《人體測量術(shù)語》和GB 5703–1985《人體測量方法》的要求進(jìn)行；應(yīng)用專門的人體建模軟件建模時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格采用人體測量數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，并對關(guān)鍵尺寸進(jìn)行校驗(yàn)；利用仿真軟件自帶模型或者從圖像、視頻中提取建模信息時(shí)，應(yīng)對照實(shí)際信息進(jìn)行關(guān)鍵部分的校驗(yàn)；人體模型數(shù)據(jù)要求較高的情況下，應(yīng)采用人體的三維掃描數(shù)據(jù)；人體數(shù)據(jù)比較復(fù)雜繁多的場合，應(yīng)利用適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)庫系統(tǒng)對人體數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)的管理。

根據(jù)虛擬人的建模要求，合理地考慮骨骼模型和皮膚模型；建模過程應(yīng)嚴(yán)格按照H–Anim標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。人體的行為模型應(yīng)采用層次化的人體運(yùn)動(dòng)模型，建立固定在人體根節(jié)點(diǎn)處的固定坐標(biāo)系和附在各關(guān)節(jié)點(diǎn)處的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系，對人的動(dòng)作進(jìn)行描述。人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型應(yīng)嚴(yán)格遵守H–Anim標(biāo)準(zhǔn)。虛擬人的動(dòng)畫存儲應(yīng)遵照MPEG－4標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 虛擬場景的建模要求

虛擬場景中具有交互功能的物體建模，應(yīng)優(yōu)先使用基于圖形的建模方式；交互性要求比較低的物體或景物建模，應(yīng)使用基于圖像的建模方式或基于圖形、圖像混合的建模方式；而當(dāng)重點(diǎn)研究工作環(huán)境對人體的影響，特別是視覺方面的影響時(shí)，也可以采用基于圖形、圖像混合的建模方式；不宜在VRML環(huán)境下直接建模；在人機(jī)工程應(yīng)用中，應(yīng)采用比較合理的三維建模軟件進(jìn)行建模，再轉(zhuǎn)化到虛擬環(huán)境中。

4.3 虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的繪制要求

對于不同場景的繪制，視覺繪制系統(tǒng)的時(shí)間延遲應(yīng)控制在可忍受的范圍內(nèi)，視覺繪制時(shí)間延遲臨界值推薦為100 ms，繪制系統(tǒng)的幀率不應(yīng)低于10幀/s。視覺繪制系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)配置和應(yīng)用特點(diǎn)，選擇相應(yīng)的圖形學(xué)標(biāo)準(zhǔn)，使用過程中要注意圖形學(xué)標(biāo)準(zhǔn)的通用性和功能的全面性。

聽覺繪制方式的選擇首先要考慮所要模擬的對象本身的要求，根據(jù)不同的場景要求采用不同的繪制方式。聲音的生成設(shè)備要與聲音的繪制方式一致。聲音的存儲方式應(yīng)考慮繪制方式、通用性、易于編輯性等因素。

觸覺的繪制應(yīng)滿足延遲性和安全性的要求。

4.4 虛擬現(xiàn)實(shí)輸入輸出設(shè)備的要求

虛擬現(xiàn)實(shí)輸入設(shè)備應(yīng)符合ISO 9241–400：2007《人機(jī)交互作用的人類工效學(xué).第400部分：物量投入設(shè)備的原理和要求》的要求。基于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)自身的特點(diǎn)，輸入設(shè)備的選擇要充分考慮人的特點(diǎn)；應(yīng)及時(shí)地輸入和反饋多種信息，以確保虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的沉浸性；應(yīng)確保輸入設(shè)備在一定的空間和時(shí)間范圍內(nèi)進(jìn)行準(zhǔn)確的輸入；還要考慮抗干擾性、輕便性、兼容性、安全性和成本等邏輯屬性。

虛擬現(xiàn)實(shí)輸出設(shè)備主要包括視覺顯示設(shè)備、聽覺顯示設(shè)備和觸覺顯示設(shè)備。視覺顯示設(shè)備的選擇應(yīng)考慮沉浸性、跟蹤技術(shù)和視覺表現(xiàn)屬性3個(gè)因素。聽覺顯示設(shè)備和觸覺顯示設(shè)備的選擇應(yīng)考慮表現(xiàn)屬性和邏輯屬性兩個(gè)因素。

5 意見和建議

隨著人機(jī)工程學(xué)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的迅速發(fā)展，兩者的結(jié)合應(yīng)用越來越密切，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為人機(jī)工程的應(yīng)用提供了更廣泛而有效的技術(shù)支持。從兩者的發(fā)展趨勢和調(diào)查研究的結(jié)果來看，人機(jī)工程中虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)成為工程應(yīng)用領(lǐng)域的一種新的發(fā)展方向，同時(shí)，在實(shí)際應(yīng)用過程中，人機(jī)工程中虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化需求也越來越迫切。結(jié)合本項(xiàng)目的研究，建議首先盡快開展“人機(jī)工程中虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)通用要求”標(biāo)準(zhǔn)的編制工作，其次研究編制人機(jī)工程中虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的系列標(biāo)準(zhǔn)，形成包括通用要求、虛擬人建模要求、虛擬場景建模要求、虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)繪制要求、虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)輸入輸出設(shè)備要求等幾部分。最后依據(jù)人機(jī)工程中虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)應(yīng)用的具體工程背景，從工程應(yīng)用的角度開展特定應(yīng)用領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化研究工作。

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